Ученые открыли новые семейства ферментов, разрушающих редкие бактериальные углеводы

Исследователи Токийского научного университета (TUS) совершили важный прорыв в области гликобиологии: они идентифицировали и охарактеризовали новые семейства ферментов, способных расщеплять сложные гликановые молекулы. Эти ферменты разрушают редкие углеводы — β-1,2-глюканы, что открывает путь к синтезу новых углеводов и расширяет горизонты прикладной биотехнологии.

Карбоидраты (углеводы) играют ключевую роль в живых организмах — от энергетического метаболизма до построения клеточных структур. Особый интерес представляют β-1,2-глюканы — цепочки глюкозы, встречающиеся в бактериальных клетках. Они участвуют в процессах инфекции и адаптации бактерий, однако из-за своей редкости и структурной сложности остаются слабо изученными.

В исследовании, опубликованном 24 мая 2025 года в журнале Protein Science (том 34, выпуск 6), команда под руководством доцента Масахиро Накадзимы (TUS) выявила новые гликозид-гидролазы (GH), ранее не классифицированные, но структурно и функционально связанные с известными ферментами из семейств GH144 и GH162. Путём биохимического, филогенетического и структурного анализа учёные определили новые ферменты, разрушающие β-1,2-глюканы. Один из них, β-1,2-глюканаза (SGL), расщепляет β-1,2-глюкан до β-1,2-глюкоолигосахаридов.

Работа была выполнена при участии д-ра Сэй Мотоучи (бывший аспирант), доцента Хироюки Накаи из Университета Ниигаты и д-ра Кайто Кобаяси из Национального института передовых промышленных технологий.

«Гликаны играют множество физиологических ролей, но их изучение затруднено из-за сложности структуры и трудности синтеза. Однако, изучение ферментов, разрушающих гликаны, может также способствовать синтезу новых гликанов», — поясняет доцент Накадзима.

Учёные выделили четыре новых потенциальных семейства GH, три из которых показали способность к расщеплению β-1,2-глюканов. Несмотря на низкое сходство аминокислотных последовательностей (16–20%), все ферменты имели общую структурную характеристику — (α/α)6-баррель и общий механизм реакции с инверсией аномера.

В результате исследователи предложили ввести новое объединённое понятие — «клан SGL», включающее семейства GH144, GH162, а также новооткрытые GH192, GH193 и GH194. Хотя GH189 использует иной механизм (с сохранением аномера), он также был отнесён к этому клану.

Одним из важнейших открытий стало выявление всего трёх консервативных остатков аминокислот (E239, Y367, F286), которые присутствуют во всех ферментах клана SGL, несмотря на различие в общей последовательности. Это указывает на уникальный путь молекулярной эволюции этих ферментов.

Это открытие существенно расширяет научное понимание метаболизма углеводов и открывает новые возможности для практического применения в медицине, сельском хозяйстве и биоэнергетике.

«Выделение этого клана демонстрирует невероятное разнообразие ферментов, взаимодействующих с углеводами. Если удастся точно определить механизм реакции, можно будет модифицировать ферментативные функции и использовать эти ферменты для синтеза новых олигосахаридов», — заключает д-р Накадзима.